CN102707361A - 双层光学滤色结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层光学滤色结构，包括：具有周期性圆孔的金属银层，该周期性圆孔构成圆孔阵列；以及位于该金属银层正上方的由金属银构成的圆环阵列，该圆环阵列正对于该圆孔阵列。本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构，是在单层打有圆孔阵列的金属银层的上方再加上一层金属银的圆环阵列，同时将下层的金属银层减薄，并且将圆孔增大，这样可以使得在这种双层结构的下表面激发更强的表面等离激元，从而所导致的增透光强更强，提高透射信号的抑制比，并且透射曲线的线型更加光滑、对称性更强。而且，本发明提供的结构可以通过调节圆孔、圆环阵列的周期来选择所需要的透射波长。

Description

双层光学滤色结构
技术领域
本发明属于光学滤波技术领域，特别是一种基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构。
背景技术
金属打孔阵列增透结构的研究是最近十几年来兴起的，最早在1998年，T.W.Thomos的研究小组发现在金属银薄膜上打穿四方格子的周期圆孔阵列，该结构具有一系列不同波长的透射峰。这些透射峰的强度远远高于此前人们理论预计的，它们的透射强度对孔占有的面积归一化能够超过100％。而且，这些透射峰的位置是直接受圆孔阵列决定的。而除了这些透射峰以外的波长，其透射值很小。因此，人们可以利用这种结构实现对某些特定波长的光波的超透射效果来实现对特定颜色的滤光。
从实用的角度来看，单层的金属打孔阵列光学滤色结构也存在一定的缺陷，这些缺陷主要包括：1、可透过的波长不是单一的，具有多个可以透射的波长，而且透射的线型不是很规则；2、对称性差，虽然有较强的透射，但是能达到的透射率最多也只有百分之十几到百分之二十几；3、增透光与非增透光的抑制比不高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光学滤色结构，从而能够获得更好的透射线型，更好地调节需要的增透波长，提高透射光与非透射光的信号抑制比。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双层光学滤色结构，包括：具有周期性圆孔的金属银层，该周期性圆孔构成圆孔阵列；以及位于该金属银层正上方的由金属银构成的圆环阵列，该圆环阵列正对于该圆孔阵列。
上述方案中，所述金属银层与该圆环阵列上下两层是平行放置的，且上下两层之间的间隙是20纳米厚度的空气。
上述方案中，所述金属银层的厚度是30nm。所述金属银层具有周期排列的圆孔阵列，圆孔阵列是按照六方晶格排列的，且其晶格常数可调。所述圆孔阵列的每个圆孔高度是30纳米，正好贯穿所述金属银层；所述圆孔阵列的每个圆孔的半径是300纳米，圆孔内是空气。
上述方案中，所述圆环阵列的厚度是70纳米。所述圆环阵列是按照六方晶格排列的，其晶格常数与所述圆孔阵列的晶格常数相同。所述圆环阵列的每个圆环的外半径可调，且与所述圆孔阵列中圆孔的半径相同，每个圆环的内半径都是110纳米，内半径以内都是空气。
上述方案中，所述圆孔阵列与所述圆环阵列所用的材料均是金属银。所述圆环阵列的每个圆环正好位于所述圆孔阵列的每个圆孔的正上方，每个圆环的外圆与其正下方的圆孔在平行于所述金属银层的平面上的投影是重合的。
(三)有益效果
本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构，是在单层打有圆孔阵列的金属银层的上方在再加上一层金属银的圆环阵列，同时将下层的金属银层减薄，并且将圆孔增大，这样可以使得在这种双层结构的下表面激发更强的表面等离激元，从而所导致的增透光强更强，提高透射信号的抑制比，并且透射曲线的线型更加光滑、对称性更强。而且，本发明提供的结构可以通过调节圆孔、圆环阵列的周期来选择所需要的透射波长。
附图说明
以下结合附图，进一步说明本发明的结构、特点以及技术上的改进，其中：
图1是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的总体立体图；由于本结构是周期重复排列的，所以图中只画出一个基本六方格子单元。
图2是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的侧面剖视图，是从侧面来观察的效果图。
图3是本发明提供的双层结构的下层结构的俯视图，显示了打有圆孔阵列的金属银层的结构图，圆孔阵列按六方晶格排列。
图4是本发明提供的双层结构的上层结构的俯视图，显示了金属银圆环的阵列，金属银圆环阵列是按照六方晶格排列的。
图5是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的工作方式图，是从侧面来观察的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
下面结合3个附图和实施例，详细说明本发明的工作原理和具体实施方式。以下实施例用以说明本发明，具体参数也只说明本实施例，对于本发明的适用范围来说，具体的参数还可以调节的。
图1是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的总体立体图，该双层光学滤色结构包括：具有周期性圆孔的金属银层，该周期性圆孔构成圆孔阵列；以及位于该金属银层正上方的由金属银构成的圆环阵列，该圆环阵列正对于该圆孔阵列。其中，所述金属银层与该圆环阵列上下两层是平行放置的，且上下两层之间的间隙是20纳米厚度的空气。入射光从正下方垂直向上入射，经过金属双层结构后，被选择透射的波长的光极大地透射过去继续向上传播，其它颜色的光被反射下去，从而实现光学滤色效果。图中的各具体参数通过下面的四幅分解图进一步阐述清楚。
该金属银层的厚度处处均匀，是30nm，圆孔的高度也都是30纳米，正好贯穿该金属银层，圆孔里面是空气，且半径可调，圆孔阵列是按周期性的六方晶格排列，晶格常数可调。
该圆环阵列在同一平面内，位于该金属银层的上方，该圆环阵列也是周期性的六方晶格排列，晶格常数可调，但必须与下层的圆孔阵列的晶格常数保持相同，圆环的厚度都是70纳米，每个圆环的外半径与下方的圆孔半径相同，圆环的内半径都是110nm，圆环内半径以内是空气，该圆环阵列的每个圆环正好位于下层每个圆孔的正上方，上下两层间的间隙内是空气，间隙厚度是20纳米。由于本结构是周期重复的，所以图1只示出一个六方格子单元，其他均略去。
图2是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的侧面剖视图，是从侧面来观察的效果图，该双层光学滤色结构包括：一打有圆孔阵列的金属银层，一层金属银圆环阵列，圆孔阵列位于打有圆孔阵列的金属银层的正上方；上下两层是平行放置的。
其中，上层圆环1，所用材料是金属银，厚度70纳米；上层圆环内部2，内半径以内全部是空气；下层圆孔阵列3，是在金属银层上打穿圆孔阵列，孔内是空气；下层金属银层4，厚度30纳米；上下两层之间的间隙5，是20纳米厚度的空气层。
图3是本发明提供的双层结构的下层结构的俯视图，显示了打有圆孔阵列的金属银层的结构图，包括：所有圆孔阵列按六方晶格排列；圆孔的内壁1，其半径都是300纳米；圆孔阵列的晶格常数2，这里采用数据800纳米。
图4是本发明提供的双层结构的上层结构的俯视图，包括：金属银圆环的阵列，金属银圆环阵列是按照六方晶格排列的；圆环的内圆壁1，其半径是110纳米；圆环的外圆壁2，其半径是300纳米；圆环阵列的晶格常数3，这里采用数据800纳米。
图5是本发明提供的基于金属银材料的由圆孔阵列和圆环阵列构成的双层光学滤色结构的工作方式图，从侧面来观察本发明的工作原理图，一打有圆孔阵列的金属银层，一层金属银圆环阵列，圆孔阵列位于打有圆孔阵列的金属银层的正上方。该双层结构构成一个复合的光学滤色结构。由于其滤色过程是基于该复合结构激发的表面等离激元来实现的，只有满足一定的共振条件的波长的光才可以在该双层结构的上下表面激发强烈的表面等离激元，从而实现很强的透射，而不能满足共振条件的光将会被反射回来。正如图5所示，包含各种颜色的白光从该双层结构下方向上入射，当遇到该双层金属银结构时，只有714纳米波长的红外光能够通过激发金属表面的表面等离子体激元，进而可以很强的遂穿透过该结构，而其他颜色的光将都被反射回去。
这种双层金属结构的下表面激发了表面等离激元，其强度比普通的单层金属打孔阵列要强很多，所以导致的增透光强更强，透射信号的抑制比得到提高，并且透射曲线的线型更加光滑、对称性更强。而且，本发明提供的结构可以通过调节圆孔阵列、圆环阵列的晶格常数的大小来选择所需要的滤色波长。
以上实施例仅仅用一个具体的例子来说明本发明，但是并不是对本发明的限制。只要改变相应的结构参数就可以实现其他波长的滤色效果。比如，同时增大下层金属银层的圆孔阵列的晶格常数和上层金属银圆环阵列的晶格常数，并且让二者保持一个相同的值，就可以实现对更长波长的滤色效果。反之，缩小它们的晶格常数，就可以实现对更短波长的滤色效果。因此在不脱离本发明的精神的情况下，做出的对结构参数的大小的变化都属于本发明的范畴。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双层光学滤色结构，其特征在于，包括：
具有周期性圆孔的金属银层，该周期性圆孔构成圆孔阵列；以及
位于该金属银层正上方的由金属银构成的圆环阵列，该圆环阵列正对于该圆孔阵列。
2.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述金属银层与该圆环阵列上下两层是平行放置的，且上下两层之间的间隙是20纳米厚度的空气。
3.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述金属银层的厚度是30nm。
4.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述金属银层具有周期排列的圆孔阵列，圆孔阵列是按照六方晶格排列的，且其晶格常数可调。
5.根据权利要求4所述的双层光学滤色结构，其特征在于，
所述圆孔阵列的每个圆孔高度是30纳米，正好贯穿所述金属银层；
所述圆孔阵列的每个圆孔的半径是300纳米，圆孔内是空气。
6.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述圆环阵列的厚度是70纳米。
7.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述圆环阵列是按照六方晶格排列的，其晶格常数与所述圆孔阵列的晶格常数相同。
8.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述圆环阵列的每个圆环的外半径可调，且与所述圆孔阵列中圆孔的半径相同，每个圆环的内半径都是110纳米，内半径以内都是空气。
9.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述圆孔阵列与所述圆环阵列所用的材料均是金属银。
10.根据权利要求1所述的双层光学滤色结构，其特征在于，所述圆环阵列的每个圆环正好位于所述圆孔阵列的每个圆孔的正上方，每个圆环的外圆与其正下方的圆孔在平行于所述金属银层的平面上的投影是重合的。
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